TPEE與帶動板的楔形機(jī)構(gòu)組合式緩沖器能量吸收率研究

魏延剛，張媛，司馬婭軒，王睿嘉，宋亞昕

TPEE與帶動板的楔形機(jī)構(gòu)組合式緩沖器能量吸收率研究

魏延剛1，張媛1，司馬婭軒1，王睿嘉2，宋亞昕2

（1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028； 2.北京多邦匯科軌道車輛裝備技術(shù)有限公司，北京 101100）

為提高緩沖器的能量吸收率，發(fā)明了一種TPEE與帶動板的楔形機(jī)構(gòu)組合式緩沖器，根據(jù)TPEE元件緩沖器的靜壓實(shí)驗(yàn)獲得力和位移關(guān)系曲線，應(yīng)用運(yùn)動學(xué)基本原理，對這種新型緩沖器主要元件的受力、位移、摩擦損耗和作功進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上給出緩沖器吸收率的計(jì)算方法和主要公式，并針對某一應(yīng)用工況給出算例。結(jié)果表明，新型組合式緩沖器的效率和能量吸收率等的計(jì)算公式正確，組合式緩沖器能量吸收率比TPEE緩沖器的能量吸收率有明顯提高，為這種新型緩沖器的設(shè)計(jì)制造和應(yīng)用提供參考。

TPEE；楔形機(jī)構(gòu)；運(yùn)動學(xué)；摩擦損耗；能量吸收率；緩沖器

列車緩沖器的功能是緩和與衰減沖擊振動，從而提高列車運(yùn)行的平穩(wěn)性和舒適度[1]。能量吸收率是緩沖器的重要指標(biāo)[2-3]。熱塑性聚酯彈性體（Thermoplastic Polyester Elastomer，TPEE）由于良好的綜合性能，在國內(nèi)外的各類貨車緩沖器中得到了越來越多的應(yīng)用[4-5]。然而，隨著我國貨運(yùn)承載和車速的提高，對緩沖器能量吸收率要求越來越高，純TPEE緩沖器難以滿足要求，為此，國內(nèi)有關(guān)科技人員研制了幾種組合式緩沖器[6-12]，在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高緩沖器的吸收率，本文發(fā)明了一種TPEE與帶動板的楔形機(jī)構(gòu)組合式緩沖器。

首先，簡要介紹這種新型組合式緩沖器的組成和工作原理；然后，應(yīng)用運(yùn)動學(xué)原理，給出緩沖器能量吸收率的計(jì)算方法和主要公式；最后，通過一個算例證明這種緩沖器運(yùn)動、受力和能量吸收率計(jì)算方法的正確性，為新型緩沖器的設(shè)計(jì)與制造提供參考。

1 緩沖器的構(gòu)成及工作原理

該新型緩沖器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，靜楔塊、空心座、動楔塊和空心壓塊構(gòu)成楔形機(jī)構(gòu)，形成摩擦式緩沖器；TPEE元件、隔片和殼體構(gòu)成了TPEE緩沖器；心軸、螺母和螺紋防松件將摩擦式緩沖器和TPEE緩沖器串聯(lián)形了組合式緩沖器。另外，承載板、動板、靜楔塊、分隔板框和殼體構(gòu)成動板機(jī)構(gòu)。

當(dāng)沖擊載荷沿軸向作用于承載板和空心壓塊時，空心壓塊推動動楔塊，動楔塊推動空心座，空心座推動隔片和TPEE元件組件，使軸向載荷通過隔片作用在殼體的底部。在此過程中，空心壓塊下表面與動楔塊上表面、動楔塊外表面與靜楔塊內(nèi)表面、動楔塊下表面與空心座上表面，分別相互擠壓，產(chǎn)生相對運(yùn)動和摩擦。這些面上的摩擦消耗了能量，從而提高緩沖器的能量吸收率。與此同時，承載板推動動板沿軸向運(yùn)動，在來自靜楔塊和殼體的擠壓力作用下，動板內(nèi)表面與靜楔塊外表面、動板外表面與殼體上部腔室內(nèi)表面產(chǎn)生摩擦，這些面上的摩擦也增加了能量消耗。另外，來自空心座的軸向力使TPEE組件發(fā)生軸向壓縮變形而吸收沖擊能量。當(dāng)軸向沖擊載荷消失后，TPEE組件恢復(fù)變形而推動空心座、動楔塊和空心壓塊由下向上運(yùn)動，空心座下部柱體上表面推動動板沿軸向向上運(yùn)動。最終所有元件恢復(fù)到受沖擊載荷前的狀態(tài)。

1.殼體；2.隔片；3.TPEE元件；4.空心座；5.動楔塊；6.空心壓塊；7.心軸；8.螺母；9.螺紋防松件；10.儲能元件；11.靜楔塊；12.動板；13.承載板；14.承載板固定件；15.分隔板框。

2 緩沖器的能量吸收率分析

2.1 緩沖器的能量損耗和能量吸收率

組合式緩沖器的能量損耗為：

式中：E組合式緩沖器的能量損耗，kJ；E為楔形機(jī)構(gòu)的摩擦損耗，kJ；E為TPEE組件吸收的能量，kJ；nE12為個動板的摩擦損耗，kJ；E為外部驅(qū)動力作用在元件上的功，kJ，序號如圖1所示。

緩沖器的能量吸收率為：

式中：為楔形機(jī)構(gòu)摩擦損耗率；為TPEE組件能量吸收率；12為動板摩擦損耗率。

楔形機(jī)構(gòu)的摩擦損耗為：

式中：為楔形機(jī)構(gòu)動楔塊的數(shù)目；E為元件與元件間的摩擦損耗，kJ，序號、如圖1所示，下標(biāo)5與05含義相同。

單個動板與靜楔塊和殼體間摩擦損耗為：

式中：F為元件與元件間的摩擦力，kN；x為元件與元件間的相對位移，mm；S為x的某一具體值，mm；x為元件的絕對位移變量，mm；S為x的某一具體值，mm。

式中：F為元件所受軸向力，kN；x為元件軸向?qū)ξ灰?，mm。

TPEE組件吸收的能量E和TPEE組件軸向力4與位移4的關(guān)系可由TPEE緩沖器靜壓實(shí)驗(yàn)獲得[8]。

所有摩擦副間的摩擦力F和空心壓塊所受軸向力6與TPEE組件軸向力4的關(guān)系，所有摩擦副間的相對位移x和空心壓塊的軸向位移6與TPEE組件軸向位移4的關(guān)系，可通過楔形機(jī)構(gòu)和動板機(jī)構(gòu)的受力及運(yùn)動分析求得。

2.2 楔形機(jī)構(gòu)的力、位移、摩擦損耗和功

設(shè)空心壓塊與動楔塊貼合的斜平面與水平面間的夾角為，動楔塊與靜楔塊貼合的斜面與垂直面間的夾角為，動楔塊與空心座貼合的斜面與水平面間的夾角為，楔形機(jī)構(gòu)各摩擦面間的摩擦角為，空心座所承受的來自隔片的軸向力為4，則根據(jù)各元件的力平衡條件，可求出各力與4間的關(guān)系式。

式中：K為用于簡化摩擦力公式的系數(shù)。

式中：N為元件與元件間的正壓力。

式中：K為用于簡化公式的系數(shù)。

楔形機(jī)構(gòu)的理想驅(qū)動力為：

楔形機(jī)構(gòu)的下行效率為：

根據(jù)各元件的位移協(xié)調(diào)條件，可求出各元件的軸向位移x和相對位移x與空心座的軸向位移4之間的關(guān)系式為：

令

將式（24）、式（25）、式（11）、式（12）和軸向力4＝(4)代入式（5），得空心壓塊6和動楔塊5間的摩擦損耗為：

將式（26）、式（27）、式（14）、式（15）和軸向力4＝(4)代入式（6），得：

將式（28）、式（29）、式（17）、式（18）和軸向力4＝(4)代入式（7），得：

將式（30）、式（31）、式（20）、式（21）和軸向力4＝(4)代入式（8），得：

則楔形機(jī)構(gòu)下行效率還可計(jì)算為：

2.3 動板機(jī)構(gòu)的力、位移、摩擦損耗和功

根據(jù)動板和靜楔塊的力平衡條件，可求得：

根據(jù)承載板的力平衡條件可知：

動板、承載板和空心壓塊位移相等，即12＝13＝6，所以，將式（37）、式（38）、式（30）、式（31）和4＝(4)代入式（8），得動板與靜楔塊和殼體之間的摩擦損耗為：

3 緩沖器能量吸收率算例

3.1 TPEE緩沖器靜壓實(shí)驗(yàn)

用BDHRV-300T-1M-125MM靜壓實(shí)驗(yàn)機(jī)，如圖2所示，根據(jù)TB/T 1961－2016[3]對所研究的TPEE緩沖器進(jìn)行靜壓實(shí)驗(yàn)，并將數(shù)據(jù)繪制成曲線。

圖2 BDHRV-300T-1M-125MM靜壓實(shí)驗(yàn)機(jī)

對6臺物理樣機(jī)分別進(jìn)行靜壓實(shí)驗(yàn)。樣機(jī)采用國產(chǎn)熱塑性聚酯彈性體，6臺樣機(jī)的靜壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近，在此取其中一臺樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該緩沖器樣機(jī)的行程為78.8 mm，最大阻抗力為2538.82 kN，能量損耗E約為43.979 kJ，容量4約為60.871 kJ，能量吸收率約為72.25%。

為了求得力與位移間的函數(shù)關(guān)系，然后通過積分計(jì)算緩沖器壓縮和回彈時的能量損耗，應(yīng)用MATLAB對緩沖器壓縮過程的力與位移數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，將軸設(shè)為位移，軸設(shè)為力，經(jīng)多次擬合嘗試后，最終選擇較優(yōu)的6次多項(xiàng)式擬合結(jié)果，如式（42）所示。

用同樣方法得到緩沖器回彈的7次擬合多項(xiàng)式如式（43）所示。

3.2 緩沖器力、位移、摩擦損耗和能量吸收率算例

對楔形機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量的設(shè)計(jì)計(jì)算，為節(jié)省篇幅，在此僅給出一組較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案：＝25°、＝3°、＝25°、＝8.5°。

根據(jù)第2節(jié)所求得力、效率的計(jì)算公式，由楔形機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)、、和可求出楔形機(jī)構(gòu)的效率和摩擦損耗率；根據(jù)各力與空心座軸向力4之間的關(guān)系可求得各力，根據(jù)各元件的位移與空心座軸向位移4之間的關(guān)系可求得各位移。

根據(jù)式（42），由式（32）～（34）和式（41）可求出各摩擦副之間的摩擦損耗，如式（44）所示。

同理，由式（35）和式（10）可得外部驅(qū)動力作用在空心壓塊和空心座上的功，如式（45）所示。

根據(jù)式（43），由式（10）可得空心座回彈過程所做的功，如式（46）所示。

式（44）和式（45）中：k（＝6,5,...,0）為式（42）中各項(xiàng)的系數(shù)。

式（46）中：k（＝7,6,...,0）為式（43）中各項(xiàng)的系數(shù)。

由圖3、圖4和表1中主要參數(shù)計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)緩沖器承受的外部軸向沖擊載荷13＝4473.183 kN時，承載板對動板和空心壓塊產(chǎn)生的軸向推動力分別為1312＝1156.566 kN、6＝3316.617 kN。

在6的作用下，空心壓塊沿軸向下行的位移6＝75.04 mm，通過動楔塊使空心座對TPEE組件產(chǎn)生軸向力4＝2538.82 kN，空心壓塊和動楔塊、動楔塊和靜楔塊、動楔塊和空心座之間的正壓力分別為56＝1966.808 kN、0511＝1952.640 kN、54＝1499.965 kN；摩擦力分別為F56＝293.941 kN、F0511＝291.824 kN、F54＝224.17 1kN；相對位移分別為56＝4.45 mm、0511＝77.03 mm、54＝4.45 mm。由于0511遠(yuǎn)大于另外兩個摩擦面上的位移，而F0511（291.824 kN）比最大摩擦力F56（293.941 kN）僅小約2 kN，所以，摩擦損耗E0511＝13.730 kJ遠(yuǎn)大于E56＝0.798 kJ和E54＝0.610 kJ，楔形機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的摩擦損耗E＝15.137 kJ。此過程中6＝76.009 kJ。

TPEE組件4的作用下由于變形所消耗的能量E＝43.979 kJ。

圖3 緩沖器主要元件間作用力隨空心座位移的變化曲線

圖4 緩沖器主要元件所做的功和能量損耗隨空心座位移變化曲線

表1 組合式?jīng)_器的靜力分析主要結(jié)果

在承載板的推動下，在兩側(cè)的靜楔塊和殼體的擠壓下，動板與靜楔塊和殼體間的正壓力1211均為1934.691 kN，摩擦力F1211均為289.142 kN，所產(chǎn)生的摩擦損耗nE12＝31.224 kJ。回彈過程中TPEE組件所吸收的能量4r＝16.893 kJ。

這樣，緩沖器總的能量損耗E＝90.341 kJ，緩沖器總的容量13＝107.233 kJ，緩沖器的能量吸收率≈84.2%。

另外，根據(jù)式（20）和式（33）計(jì)算出的η相等，均為0.801，說明了楔形機(jī)構(gòu)靜力學(xué)關(guān)系的正確性。

從動力學(xué)角度分析，TPEE與帶動板的楔形機(jī)構(gòu)組合式緩沖器中的動板相當(dāng)于一個阻尼器，楔形機(jī)構(gòu)相當(dāng)于另一個阻尼器，而TPEE組件相當(dāng)于一個阻尼器和彈簧并聯(lián)元件，這樣TPEE與帶動板的楔形機(jī)構(gòu)組合式緩沖器相當(dāng)于一個阻尼器（楔形機(jī)構(gòu)）與一個阻尼器和彈簧并聯(lián)元件（TPEE組件）串聯(lián)，再與一個阻尼器（動板）并聯(lián)的動力學(xué)系統(tǒng)。楔形機(jī)構(gòu)的摩擦損耗率＝14.1%，TPEE組件的能量吸收率≈41.0%，動板的能量消耗率12＝nE12/13≈29.1%，緩沖器的能量吸收率≈84.25%，這說明TPEE與帶動板的楔形機(jī)構(gòu)組合式緩沖器的能量吸收率比TPEE緩沖器的能量吸收率增加了約12%。

4 結(jié)語

通過TPEE與帶動板的楔形機(jī)構(gòu)靜壓實(shí)驗(yàn)的算例得到如下結(jié)論：

（1）所求出的組合式緩沖器主要元件的位移、力、所做功和摩擦損耗，以及楔形機(jī)構(gòu)、緩沖器的效率和能量吸收率的計(jì)算公式正確；

（2）組合式緩沖器能量吸收率與楔塊機(jī)構(gòu)的參數(shù)有關(guān)，還與TPEE的數(shù)量和性能有關(guān)；

（3）組合式緩沖器能量吸收率比TPEE緩沖器的能量吸收率有明顯提高，在所研究的組合式緩沖器具體參數(shù)條件下，在總?cè)萘吭黾蛹s46.362 kJ的同時，組合式緩沖器靜壓實(shí)驗(yàn)的能量吸收率比TPEE緩沖器的提高了約12%。

[1]趙洪倫. 軌道車輛結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M]. 北京：中國鐵道出版社，2009.

[2]林結(jié)良，李冬. 鐵路貨車緩沖器技術(shù)及其評定標(biāo)準(zhǔn)分析[J]. 鐵道機(jī)車車輛，2014（01）：8-16，81.

[3]中華人民共和國鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). TB/T 1961－2016，機(jī)車車輛緩沖器[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2017.

[4]王文志，鐘鏵均，黃自華，等. 熱塑性聚醚酯彈性體TPEE在軌道交通領(lǐng)域中的應(yīng)用[J]. 特種橡膠制品，2013（03）：62-65

[5]Yangang WEI，Wang ZHANG，Yaxin SONG，et al. Material Compressing Test of TPEE part used in draft gear of heavy load locomotive[J]. Applied Mechanics and Materials，2013（367）：63-67.

[6]魏延剛，李明，宋亞昕，等. 高分子彈性元件與金屬摩擦元件組合緩沖器的設(shè)計(jì)與靜壓試驗(yàn)仿真[J]. 機(jī)械制造，2017，2（2）：81-84.

[7]魏延剛，田康康，王睿嘉，等. 高分子彈性元件與帶Ｖ型槽鋼摩擦元件組合式緩沖器[J]. 鐵道機(jī)車輛，2017，6（3）：25-29，111.

[8]魏延剛，李剛，宋亞昕，等. 基于數(shù)字化仿真技術(shù)的新型緩沖器樣機(jī)研制[J]. 機(jī)械制造，2018，3（3）：4-7，10.

[9]魏延剛，李剛，王睿嘉，等. 高分子彈性元件與多組金屬摩擦元件串聯(lián)組合緩沖器的設(shè)計(jì)與靜壓仿真[J]. 大連交通大學(xué)學(xué)報，2018，8（4）：55-58.

[10]大連交通大學(xué). 高分子彈性元件與金屬摩擦元件組合緩沖器[P]. 中國專利：201510736219.2.

[11]大連交通大學(xué). 多邊形殼體高分子彈性元件與金屬摩擦元件組合緩沖器[P]. 中國專利：201510737700.3.

Energy Absorptivity of Draft Gear Combined Moving Plates with TPEE and Wedge Mechanism

WEI Yan’gang1，ZHANG Yuan1，SIMA Yaxuan1，WANG Ruijia2，SONG Yaxin2

( 1.School of Mechanical Engineering, DalianJiaotongUniversity, Dalian 116028, China; 2.BeijingDuobangHuike Rail Vehicle Equipment Technology Co., Ltd., Beijing 101100, China)

A new draft gear combined moving plates with TPEE and wedge mechanism is invented in order to enhance the energy absorptivity of the draft gears. According to the static pressure experiment of TPEE element buffer, the relation curve of force and displacement is obtained. By using kinematics principle, the forces, displacements, friction loses and works of the main elements are analyzed. The calculation method of energy absorptivity and the main formulas of the new draft gear are inferred. The example under a certain work case is given. The correctness of the formulas to calculate energy absorptivity, efficiencies and so on is proved. The results show that the energy absorptivity of the combined draft gear is significantly higher than that of TPEE draft gear. The paper offers a reference to design, manufacture and application of the new draft gear.

TPEE；wedge mechanism；kinematics；friction lose；energy absorptivity；draft gear

TH133.3

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.05.001

1006-0316 (2021) 05-0001-07

2020-12-07

2015年遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（L2015099）

魏延剛（1961－），男，山東莒南人，碩士，教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械傳動、機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)，E-mail：weiyg@djtu.edu.cn。